Research on the Optimization of Weir Layout of the Weir-Bottom Hole Combined Fishway

Jian-yu HUANG; Ping WEI; Chao JI; Biao WANG; Hao WANG

China Rural Water and Hydropower ›› 2021 ›› (8) : 200-206.

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Abstract

The baffle of the Weir-bottom hole combined fishway divides the Fishway into a continuous stepped pool， which increases the energy dissipation of the water in the pool and creates the upstream flow pattern of fishes. However， the different shapes， size and layout of weir and bottom hole will lead to the change of flow characteristics， and the layout of weir is an important feature that needs to be carefully considered.Taking a weir-hole combined fishway as the research object， a three-dimensional mathematical model is established to study the characteristics of the partitions of the Fishway pool room. The velocity distribution and flow structure in the fishway are optimized by changing the relative position p/B of weir. The results show that when the water depth in the fishway is 2 m， different weir layouts have a great influence on the flow structure of the pool room. Compared with the weir crest gaps staggered left and right in the original plan， when p/B = 0.6， the main stream in the pool room is clear， the range of return zone is relatively small， the maximum velocity at the weir and bottom hole is less than 1.0 m/s， and the maximum turbulent kinetic energy is 0.06 m²/s²，which can basically meet the upstream requirements of four major fishes and other cash fishes. In practical application， the optimal solution to P/B can be found according to the engineering practice.

Key words

Weir hole combined fishway / numerical simulation / velocity distribution / flow pattern

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Jian-yu HUANG , Ping WEI , Chao JI , Biao WANG , Hao WANG. Research on the Optimization of Weir Layout of the Weir-Bottom Hole Combined Fishway. China Rural Water and Hydropower. 2021, 0(8): 200-206

0 引言

隔板式鱼道按隔板上过鱼孔的形状，可分为溢流堰式、孔口淹没式、竖缝式及组合式。组合式鱼道可将各种型式鱼道的优点集合，取长补短，充分发挥各种型式鱼道的优势，适合多种鱼类同时通过，提高过鱼效率。溢流堰和底孔结合的堰-底孔组合式鱼道，不仅能较好地发挥两种类型过鱼孔的水力特性，灵活地控制池室的流速和水流结构，而且能满足不同习性鱼类的过鱼需求，是国外常用的鱼道型式^［1，2］。其中，淹没孔口式鱼道适用于底层洄游的鱼类，能适应上下游较大的水位变幅^［1，3］，溢流堰式鱼道适用于表层洄游和有跳跃习性的鱼类^［4］。堰顶缺口将水流限制在缺口中，增加了池室中的能量耗散，溢流堰缺口型式有很多，有的布置在中央位置，有的布置在堰顶两侧左右交错，但通过大量的鱼类观测发现，一些鱼在穿过一系列有交错孔或交错槽的鱼道隔板时，表现得非常不适应，有交错孔或交错槽的鱼道池室内水流主流弯曲程度大，鱼类洄游道路曲折，不利于鱼类沿着主流上溯^［5］。汪洪波^［6］等运用数值模拟的方法研究了横隔板鱼道的水力特性，表明此类型鱼道内水流流态稳定。刘鹄^［7］、王琲^［2］、黄明海^［8］等分别研究了竖缝式鱼道与孔口式鱼道、溢流堰式鱼道、潜孔式鱼道组合的组合式鱼道的水力特性，结果均表明组合式鱼道的水力学条件较好，适合不同习性和种类的鱼类通过。

溢流堰式鱼道隔板设计简单，但其堰顶形状、尺寸、外形及孔口布置都是需要研究的重要特征，因此，本文结合工程实例对堰-底孔组合式鱼道不同堰顶缺口布置的水流特征进行了研究，研究方法和思路可为同类型鱼道的设计提供借鉴。

1 数学模型建立

1.1 鱼道建模基本参数

堰-底孔组合式鱼道单个池室净宽2.0 m，长2.6 m，每间隔10个过鱼池设置一个长5.5 m的平底休息池。鱼道全长720 m，鱼道梯级数117个，其中过鱼池106个，休息池11个。上游设计水位36.20 m，下游运行水位30.70 m，对应设计水头5.5 m的鱼道设计流速为0.4~1.0 m/s，过鱼对象为四大家鱼等经济鱼类，流速基本满足过坝鱼类的喜爱流速范围。池内设两个底孔加一堰顶缺口的组合式隔板，隔板厚20 cm。隔板两底孔尺寸为0.3 m×0.3 m，底孔居中布置；堰顶缺口尺寸为1 m×1 m，在池室底板高程假定为0 m时，堰顶缺口底边相对高程为1 m，相邻隔板交错布置。鱼道内设计水深为2 m，入口底板高程假定为0 m，斜坡段底坡1∶50，断面型式如图1所示。

Fig.1 Fishway detail size

图1 鱼道细部尺寸

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研究中选取靠近下游的10个池室，9个隔板建模，池室编号从下游到上游按鱼类洄游路线编号为1~10号，下游进口处设为1号池室，上游为10号池室。底孔编号从下游到上游为1~9。

1.2 控制方程

鱼道内水流流动考虑是不可压缩水流流动问题，湍流模型选用标准k-ε模型。

数学模型控制方程包括连续性方程、动量方程和k-ε方程：

连续性方程：

\frac{\partial ρ}{\partial t} + \frac{\partial ρ u_{i}}{\partial x_{i}} = 0

（1）

动量方程：

\frac{\partial ρ u_{i}}{\partial t} + \frac{\partial}{\partial x_{j}} (ρ u_{i} u_{j}) = - \frac{\partial p}{\partial x_{i}} + \frac{\partial}{\partial x_{j}} [(μ + μ_{t}) (\frac{\partial u_{i}}{\partial x_{j}} + \frac{\partial u_{j}}{\partial x_{i}})] + ρ g_{i}

（2）

紊动能k方程：

\frac{\partial ρ k}{\partial t} + \frac{\partial ρ u_{i} k}{\partial x_{i}} = \frac{\partial}{\partial x_{j}} [(μ + \frac{μ_{t}}{σ_{k}}) \frac{\partial k}{\partial x_{j}}] + G_{k} - ρ ε

（3）

紊动能耗散率ε方程：

\frac{\partial ρ ε}{\partial t} + \frac{\partial ρ u_{i} ε}{\partial x_{i}} = \frac{\partial}{\partial x_{j}} [(μ + \frac{μ_{t}}{σ_{ε}}) \frac{\partial ε}{\partial x_{j}}] + C_{ε 1} \frac{ε}{k} G_{k} - C_{ε 2} ρ \frac{ε^{2}}{k}

（4）

式中：t为时间，s；u、v、w为x、y、z方向的时均速度分量为坐标分量，m/s；ρ为水体密度，kg/m³；μ、μ_t 为水体的黏性系数和紊动涡黏系数，m²/s；p为时均压强，Pa；g_i 为重力加速度，m/s²；k为紊动能，m²/s²；ε为紊动能耗散率，m²/s³；G_k 为紊动能产生项，各项紊流常数取值为C_μ =0.09、σ_ε =1.3、σ_k =1.0、C_ε ₁=1.44、C_ε ₂=1.92。

追踪自由液体表面采用VOF方法，通过计算水和气的体积分数来表征物体的形态，a_a 表示气体的体积分数，a_w 表示水的体积分数，其控制方程如下：

a_{w} + a_{a} = 1

（5）

\frac{\partial a_{w}}{\partial t} + u_{i} \frac{\partial a_{w}}{\partial x_{i}} = 0

（6）

1.3 网格剖分

鱼道池室水流条件计算网格划分的思路为：在形状复杂的区域采用四面体单元划分非结构网格，在形状相对简单的区域划分为六面体结构网格。由于使用壁面函数法，在划分网格时不需要在壁面区对网格进行加密。鱼道形状相对简单，为保证网格质量，计算区域采用六面体网格进行网格划分，隔板过鱼孔（堰顶缺口和底孔）局部加密。池室内采用网格尺寸0.1 m，隔板过鱼孔网格尺寸0.05 m，模型含54.45 万个节点，11.98 万个六面体单元，网格划分见图2。

Fig.2 Fishway grid division （from left to right， 1 ~ 10#） flow direction from right to left

图2 鱼道网格划分（从左到右1~10号）水流方向从右到左

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1.4 边界条件

进出口边界条件设置为压力出口，采用进出口自由面水位作为边界条件；顶部边界条件设压力出口，压强为大气压；边墙和底板设为无滑移固壁边界。

1.5 数学模型验证

数学模型采用现场实测的池室水深和底孔流速进行验证，工况为现场监测实测的工况，上游水深1.38 m，下游水深0.39 m。水深测点为池室中间左右两侧，每个池室实测2个测点，池室水深结果取2个测点水深的平均值，底孔流速按水流方向分为左右底孔，以ADV声学多普勒流速仪测量测点速度大小及方向，结果见图3和图4。如图可见，数学模拟结果与现场实测的数据吻合较好，数值模拟可以比较准确地模拟鱼道池室内的水流流态。

Fig.3 Comparison of Water depth of the pool room

图3 池室水深对比

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Fig.4 Comparison of the Bottom hole flow rate

图4 底孔流速对比

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1.6 计算方案

不同的堰顶形状会改变鱼道池室内的水流特征。如图5所示，堰顶缺口的宽度B为1 m保持不变，相邻过鱼堰顶缺口交错部分长度为p，如图6，设无量纲参数p/B，分析p/B为0（方案1）、0.4（方案2）、0.6（方案3）、0.8（方案4）、1.0（方案5）在鱼道运行水深h=2.0 m的水流结构，从方案1到方案5的p/B逐渐增大，上下池室堰顶缺口错缝偏移逐渐减小。p/B等于0时，堰顶缺口左右交错布置，p/B等于1时，堰顶缺口布置在隔板中间，隔板左右完全对称。

**Fig.5 P/B=0 Structural layout of fishway pool**

图5 p/B=0鱼道水池结构布置

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**Fig.6 p/B＞0 Structural layout of fishway pool**

图6 p/B＞0鱼道水池结构布置

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2 结果与分析

2.1 池室流态分析

堰-底孔组合式鱼道系溢流堰式鱼道和孔口式鱼道的结合，沿水深方向具有不同的水流流态。为了避免进出口边界对池室流态的影响，选取中间池室5号进行分析，考虑鱼类通过堰顶和底孔不同的洄游路线，选取两个不同水深的平面流场进行分析，两个平面分别位于距池底以上0.15和1.5 m，0.15 m处的平面流场能够反映两底孔的水流特征，1.5 m处的平面流场能反映堰顶的水流特征，图层位置示意图如图7所示。分析了5种方案两个水层的流速分布，图8列出了方案1到方案5不同水层的流速分布和流速矢量图。

**Fig.7 Three dimensional model of flow velocity cloud diagram of different water layers（P/B=0）**

图7 不同水层流速云图三维模型（P/B=0）

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Fig.8 Flow pattern of different water layers in fishway pool chamber under different schemes

图8 不同方案下鱼道池室不同水层流态

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鱼类在进入鱼道进口后，其过鱼效果主要取决于隔板过鱼孔流速及池室内流态。要求过鱼孔流速小于过鱼对象的克流能力，池室内主流明确，有一定回流，但回流不能过于剧烈，范围不能过大，以免鱼类迷失方向，延误上溯时间^{［9， 10］}。

如图8（a）所示，p/B等于0时，通过隔板堰顶进入下级水池的水流，上级鱼池水流通过堰顶缺口进入下级鱼池时受隔板横向导板作用，堰孔流出的水流偏向堰孔一侧，受下级隔板堰顶缺口影响在池室3/4处开始偏向下级堰顶缺口一侧，水流沿边壁流动直到受到下一级隔板阻挡后改变方向，沿下一级隔板边壁流动。从流速矢量图来看，堰顶处水层主流明确，但存在明显的主流贴壁现象，主流的另一侧存在超过池室2/3面积的大范围回流区，回流区的范围较大。从流速云图来看，最大流速0.76 m/s，出现在堰顶缺口前缘，主流在池室内流速超过0.6 m/s的区域主要位于堰孔附近和堰孔同侧边壁附近，池室内大部分区域主流流速约为0.4~0.7 m/s，回流区流速值不大，在0.1~0.3 m/s之间，回流强度不大，能够满足四大家鱼等经济鱼类洄游要求。距离池底0.15 m范围内的水流由底孔进入水池，如图8所示，在整个水池底部水深范围内形成了较大的回流区，底孔处最大流速达到0.93 m/s，两底孔的流速分布不均，远离堰顶缺口一侧底孔流速大于0.7 m/s的区域面积大于另一侧底孔。

如图8（b）所示，p/B等于0.4时，流速分布规律与p/B等于0时基本一致。堰顶处水层主流宽度与堰顶缺口宽度接近（堰顶缺口宽度1.0 m），主流最大流速增大至0.83 m/s，堰顶处水层主流明确，主流贴壁现象有所缓解，主流另一侧的回流区面积较P/B等于0时略有减小。底孔处水层最大流速0.90 m/s，出现在远离堰顶缺口一侧底孔处，另一侧底孔处仍有较大面积的回流区。

如图8（c）所示，p/B等于0.6时，堰顶处水层主流两侧回流区发生变化，回流区面积由原来的2/3减少至约1/2，主流最大流速为0.96 m/s，堰顶处水层主流明确，相对于P/B等于0时，主流弯曲程度小，主流平顺，基本没有主流贴壁现象。底孔处水层最大流速0.81 m/s，出现在远离堰顶缺口一侧底孔处，两底孔流速分布不均的现象有所改善，底孔主流的流速在0.5~0.7 m/s之间，回流区的流速小于0.3 m/s，各个水层流速分布满足不同种类、不同水层的目标鱼类上溯洄游要求。

如图8（d）和图8（e）所示，p/B大于等于0.8时，堰顶处水层主流接近一条直线，主流宽度等于堰顶缺口宽度，在主流两侧形成两个面积较小的回流区。p/B等于0.8时，主流最大流速1.17 m/s，p/B等于1.0时，主流最大流速1.38 m/s。底孔处水层的流速分布接近于对称，两底孔流速分布基本相同，P/B等于0.8底孔最大流速0.60 m/s，p/B等于1.0底孔最大流速0.47 m/s。p/B大于等于0.8时，各个水层的主流明确，流态较好，但最大流速超过四大家鱼等经济鱼类洄游极限，对于部分游泳能力较弱的鱼类及幼鱼，可能会形成流速障碍。

方案2到方案5逐渐降低了上下池室堰错峰偏移，随着p/B增大，受隔板的阻碍作用逐渐减小，主流的弯曲程度减小，池室内回流区范围逐渐减少，但由于减小了隔板对水流的阻碍，能量耗散小，因此堰处主流流速逐渐增大。设计方案堰顶缺口居于隔板一侧，远离堰顶缺口一侧的底孔流速明显大于近堰顶缺口一侧的底孔流速，远离堰顶缺口一侧的底孔主流扭曲度大。优化了隔板的相对位置后，两底孔的流速逐渐接近对称，远离堰一侧的底孔主流逐渐明确，说明底孔的流态受堰顶缺口的布置方式影响。

2.2 堰顶处主流弯曲程度与衰减规律分析

最大主流流速沿程变化曲线一定程度上反映了流速衰减效果。如前所述，池室堰错缝偏移越大，池室内主流越弯曲。为了系统地分析池室内堰顶处水层主流流速的衰减规律，以池室5号为研究对象，池室长为x轴，方向为水流流向，提取池室内主流流速的最大值，沿x轴方向绘制成图，各方案沿程流速如图9所示。

Fig.9 Velocity distribution along weir orifice

图9 堰处流速沿程分布

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设参数1-V _min /V _max为最大衰减率，其一定程度上反映出水池内的流速衰减效果，各方案最大衰减率见表1，由图9和表1可以看出，主流流速衰减排序依次为：方案1＞方案2＞方案3＞方案4＞方案5。方案1由于隔板对水流的阻碍作用，主流的最大衰减率最大为54.1%；方案2到5降低了上下池室堰错缝偏移，减少了隔板对水流的阻碍作用，其最大衰减率逐渐减少。

Tab.1 Distribution of maximum attenuation rate of mainstream velocity

表1 主流轨迹线流速最大衰减率分布表

方案	方案1	方案2	方案3	方案4	方案5
1-V _min /V _max/%	54.1	50.6	38.9	36.8	33.3

2.3 推荐方案紊动能分析

鱼道中水流的紊动能过高，鱼类将消耗更多的能量，降低鱼类的游动能力和平衡能力，使其无法顺利完成上溯。适当的紊流动可为鱼类提供良好而稳定的水流条件，保证鱼类的上溯^{［11，12］}。

图10列出了方案1和方案3堰顶处水层和底孔处水层紊动能分布图，由图可见，两种方案均是水流经过隔板堰顶缺口处紊动能达到最大值，紊动能在鱼道池室内总体较小。两种方案鱼道大部分区域紊动能均不超过0.06 m²/s²，满足过鱼对紊动能的要求。

Fig.10 Distribution of turbulent kinetic energy

图10 紊动能分布（单位：m²/s²）

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3 结论

针对某堰-底孔组合式鱼道，建立鱼道三维数学模型，对不同的堰顶缺口布置方式进行分析，得出如下结论：

（1）上下池室堰顶缺口相对位置对池室流态影响较大。p/B越小，池室内主流越弯曲，回流区范围越大，此时鱼道池室内消能效果较好，堰顶处主流速度较小。通过增大p/B，能有效减少堰顶处主流弯曲程度，减小回流区范围。

（2）上下池室堰顶缺口相对位置对底孔的流速分布和流态具有显著影响。交错缺口的设置会使两底孔的流速分布不均，远离堰顶缺口一侧的底孔流速相对较大，底孔主流不明确。通过增大P/B，能改善底孔处流态，降低底孔流速。

（3）对于本工程而言，p/B=0.6时，鱼道池室内流速分布合理，最大流速小于1.0 m/s，主流明确，回流区范围相对较小，池室内紊动能最大值为0.06 m²/s²，满足过坝鱼类上溯要求。

References

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0 引言
1 数学模型建立
1.1 鱼道建模基本参数
Fig.1 Fishway detail size
1.2 控制方程
1.3 网格剖分
Fig.2 Fishway grid division （from left to right， 1 ~ 10#） flow direction from right to left
1.4 边界条件
1.5 数学模型验证
Fig.3 Comparison of Water depth of the pool room
Fig.4 Comparison of the Bottom hole flow rate
1.6 计算方案
Fig.5 P/B=0 Structural layout of fishway pool
Fig.6 p/B＞0 Structural layout of fishway pool
2 结果与分析
2.1 池室流态分析
Fig.7 Three dimensional model of flow velocity cloud diagram of different water layers（P/B=0）
Fig.8 Flow pattern of different water layers in fishway pool chamber under different schemes
2.2 堰顶处主流弯曲程度与衰减规律分析
Fig.9 Velocity distribution along weir orifice
Tab.1 Distribution of maximum attenuation rate of mainstream velocity
2.3 推荐方案紊动能分析
Fig.10 Distribution of turbulent kinetic energy
3 结论
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Received	Published
2020-09-22	2021-08-15
Issue Date
2021-09-24

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1 数学模型建立

1.1 鱼道建模基本参数

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1.2 控制方程

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1.4 边界条件

1.5 数学模型验证

Fig.3 Comparison of Water depth of the pool room

Fig.4 Comparison of the Bottom hole flow rate

1.6 计算方案

**Fig.5 P/B=0 Structural layout of fishway pool**

**Fig.6 p/B＞0 Structural layout of fishway pool**

2 结果与分析

2.1 池室流态分析

**Fig.7 Three dimensional model of flow velocity cloud diagram of different water layers（P/B=0）**

Fig.8 Flow pattern of different water layers in fishway pool chamber under different schemes

2.2 堰顶处主流弯曲程度与衰减规律分析

Fig.9 Velocity distribution along weir orifice

Tab.1 Distribution of maximum attenuation rate of mainstream velocity

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1 数学模型建立

1.1 鱼道建模基本参数

Fig.1 Fishway detail size

1.2 控制方程

1.3 网格剖分

Fig.2 Fishway grid division （from left to right， 1 ~ 10#） flow direction from right to left

1.4 边界条件

1.5 数学模型验证

Fig.3 Comparison of Water depth of the pool room

Fig.4 Comparison of the Bottom hole flow rate

1.6 计算方案

Fig.5 P/B=0 Structural layout of fishway pool

Fig.6 p/B＞0 Structural layout of fishway pool

2 结果与分析

2.1 池室流态分析

Fig.7 Three dimensional model of flow velocity cloud diagram of different water layers（P/B=0）

Fig.8 Flow pattern of different water layers in fishway pool chamber under different schemes

2.2 堰顶处主流弯曲程度与衰减规律分析

Fig.9 Velocity distribution along weir orifice

Tab.1 Distribution of maximum attenuation rate of mainstream velocity

2.3 推荐方案紊动能分析

Fig.10 Distribution of turbulent kinetic energy

3 结 论

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0 引言

**Fig.5 P/B=0 Structural layout of fishway pool**

**Fig.6 p/B＞0 Structural layout of fishway pool**

**Fig.7 Three dimensional model of flow velocity cloud diagram of different water layers（P/B=0）**

3 结论